學術干貨 | 看官，請您“御覽”單晶結構測試要點

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由上圖可得，材料結構決定性質，對于材料的結構和組成的表征至關重要。有很多高大上的儀器，那么怎么樣才能得到晶體結構呢？對于晶體結構的解析最有效的手段之一可能就是利用X射線單晶衍射儀了，但是X射線單晶衍射儀價格不菲，所以一般的學校也沒有，可能有些材料人不是特別熟悉。所以小編今天就想說說X射線單晶衍射儀的基本構成及其在晶體結構解析過程中的應用。

【X射線單晶衍射儀的基本結構】

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【晶體的安置要點】

1、將晶體用膠液粘在玻璃毛上；

圖1 放置晶體的三種方式

2、將粘好的晶體放在測角頭上，再裝到測角儀的相應位置；

圖2 測角頭

3、將晶體的中心和衍射儀的中心調至重合。

【實驗方法】

一束單色X射線射到一粒靜止的單晶體上，入射線與晶粒內的各晶面族都有一定的交角θ，其中只有很少數的晶面能符合布拉格公式而發生衍射。如何才能使各晶面族都發生衍射呢?最常用的方法就是轉動晶體。

1、回擺法

樣品的轉軸垂直于入射單色X射線，圍繞轉軸安裝園筒狀底片或在晶體后方，垂直于入射線安裝平板底片。若晶體的某一晶軸(如a或b,c)與轉軸平行，則在園筒狀底片上會出現平行直線，平板底片則出現上下對稱的雙曲線。若讓晶體在一個不大的角度范圍(如10)內做擺動，則能產生的衍射數量不多，衍射點不會重疊。使擺動范圍連續變動，一套完整的衍射數據需由一套(如幾十張)擺動照片組成，其數量與晶體的對稱性有關。

2、四圓衍射儀法

入射光和探測器在一個平面內(稱赤道平面)，晶體位于入射光與探測器的軸線的交點，探測器可在此平面內繞交點旋轉，因此只有那些法線在此平面內的晶面族才可能通過樣品和探測器的旋轉在適當位置發生衍射并被記錄。

如何讓那些法線不在赤道平面內的面族也會發生衍射并能被記錄呢?辦法讓晶體作三維旋轉，有可能將那些不在赤道平面內的晶面族法線轉到赤道平面內，讓其發生衍射，四圓衍射儀正是按此要求設計的。

圖3 四圓衍射儀法示意圖

【所測試晶體的要求】

1、品質好、完整的單晶體，不是孿晶；

2、晶體的尺寸一般不超過準直器的內徑(常用的為0.5-0.6mm)，對于CCD，晶體合適的尺寸在：純有機物0.3-0.7mm，金屬有機配合物0.15-0.5mm，純無機物0.1-0.3mm；

3、三個方向的尺寸盡可能的相近，否則對衍射吸收有差別，如果晶體太大，切割時要用凡士林；

4、一般的，球形優于立方體，優于針狀，優于扁平形。

【測試基本原理】

1、根據布拉格方程，一個衍射對應于一個晶面族，以此面族的符號HKL作為此衍射之指數；

2、衍射強度和原子在晶胞中的坐標有關，根據衍射強度可以得出晶體結構。

【單晶衍射數據的分析步驟】

圖4 單晶衍射數據的分析步驟

對于單晶衍射數據的分析可以得出：原子間的鍵長、鍵角、分子在晶體中的堆積方式、分子在晶體中的相互作用和氫鍵等信息。總之，根據單晶衍射數據可以分析出晶體的結構。

但是對于晶體結構的解析是個復雜的難題，需要綜合很多晶體學、物理學、數學的知識，不是簡單的幾頁紙就能闡述明白的，所以建議大家參考中山大學陳小明院士編著的《單晶結構分析原理與實踐》。

本文由材料人編輯部學術組淡年華供稿，材料牛編輯整理。

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